二进制机器码究竟是如何被CPU执行的 ​

回顾 ​

• 准备好了运行时环境，V8 就可以执行 JavaScript 代码了,在执行代码时，V8 需要先将 JavaScript 编译成字节码，然后再解释执行字节码，或者将需要优化的字节码编译成二进制，并直接执行二进制代码,也就是说，V8 首先需要将 JavaScript编译成字节码或者二进制代码，然后再执行
• 分析 V8 如何解释执行字节码之前，我们需要了解最基础的知识，那就是 CPU 如何执行二进制代码，因为字节码的执行模式和 CPU 直接执行二进制代码的模式是类似的
• 在编译流水线中的位置：

将源码编译成机器码 ​

• 我们以一段 C 代码为例

int main()
{  
    int x = 1;
    int y = 2;
    int z = x + y;
    return z;
}

int main()
{  
    int x = 1;
    int y = 2;
    int z = x + y;
    return z;
}

• 我们知道，CPU 并不能直接执行这段 C 代码，而是需要对其进行编译，将其转换为二进制的机器码，然后 CPU 才能按照顺序执行编译后的机器码。
• 通过编译器编译成二进制的可执行程序之后，再进行反汇编，最后编译出来的机器码如下图所示：
• 观察上图，左边就是编译生成的机器码，在这里它是使用十六进制来展示的，这主要是因为十六进制比较容易阅读，所以我们通常使用十六进制来展示二进制代码。你可以观察到上图是由很多行组成的，每一行其实都是一个指令，该指令可以让 CPU 执行指定的任务。
• 中间的部分是汇编代码，汇编代码采用助记符（memonic）来编写程序，例如原本是二进制表示的指令，在汇编代码中可以使用单词来表示，比如 mov、add 就分别表示数据的存储和相加。汇编语言和机器语言是一一对应的，这一点和高级语言有很大的不同。
• 通常我们将汇编语言编写的程序转换为机器语言的过程称为“汇编”；反之，机器语言转化为汇编语言的过程称为“反汇编”，比如上图就是对 code_prog 进程进行了反汇编操作。
• 这一大堆指令按照顺序集合在一起就组成了程序，所以程序的执行，本质上就是 CPU 按照顺序执行这一大堆指令的过程。

CPU 是怎么执行程序的 ​

• 编译后的程序是由一堆二进制代码组成的，二进制代码是由一条条指令构成的，接下来我们来分析 CPU 是如何执行这些指令的了
• 不过为了分析程序的执行过程，我们还需要理解典型的计算机系统的硬件组织结构，具体可以参看下图：
• 这张图是比较通用的系统硬件组织模型图，从图中我们可以看出，它主要是由 CPU、主存储器、各种 IO 总线，还有一些外部设备，诸如硬盘、显示器、USB 等设备组成的。
• 首先，在程序执行之前，我们的程序需要被装进内存，比如在 Windows 下面，你可以通过鼠标点击一个可执行文件，当你点击该文件的时候，系统中的程序加载器会将该文件加载到内存中。

什么是内存 ​

• 可以把内存看成是一个快递柜，比如当你需要寄件的时候，你可以打开快递柜中的第 100 号单元格，并存放你的物品，有时候你会收到快递，提示你在快递柜的 105 号单元格中，你就可以打开 105 号单元格取出的你的快递。
• 这里有三个重要的内容，分别是快递柜、快递柜中的每个单元格的编号、操作快递柜的人，你可以把它们对比成计算机中的内存、内存地址和 CPU。
• 也就是说，CPU 可以通过指定内存地址，从内存中读取数据，或者往内存中写入数据，有了内存地址，CPU 和内存就可以有序地交互。同时，从内存的角度理解地址也是非常重要的，这能帮助我们理解后续很多有深度的内容。
• 另外，内存还是一个临时存储数据的设备，之所以是临时的存储器，是因为断电之后，内存中的数据都会消失。
• 内存中的每个存储空间都有其对应的独一无二的地址，也可以通过下图来直观地理解下内存中两个重要的概念，内存和地址：
• 在内存中，每个存放字节的空间都有其唯一的地址，而且地址是按照顺序排放的
• 如上文的那段 C 代码，这段代码会被编译成可执行文件，可执行文件中包含了二进制的机器码，当二进制代码被加载进了内存后，那么内存中的每条二进制代码便都有了自己对应的地址，如下图所示：
• 有时候一条指令只需要一个字节就可以了，但是有时候一条指令却需要多个字节。在上图中，对于同一条指令，使用了相同的颜色来标记
• 我们可以把上面这个一堆二进制数据反汇编成一条条指令的形式，这样可以方便我们的阅读，效果如下图所示：
• 一旦二进制代码被装载进内存，CPU 便可以从内存中取出一条指令，然后分析该指令，最后执行该指令。
• 我们把取出指令、分析指令、执行指令这三个过程称为一个 CPU 时钟周期。CPU 是永不停歇的，当它执行完成一条指令之后，会立即从内存中取出下一条指令，接着分析该指令，执行该指令，CPU 一直重复执行该过程，直至所有的指令执行完成。

CPU 是怎么知道要取出内存中的哪条指令的 ​

• CPU 中有一个 PC 寄存器，它保存了将要执行的指令地址，当二进制代码被装载进了内存之后，系统会将二进制代码中的第一条指令的地址写入到 PC 寄存器中，到了下一个时钟周期时，CPU 便会根据 PC 寄存器中的地址，从内存中取出指令
• PC 寄存器中的指令取出来之后，系统要做两件事：
  • 第一件事是将下一条指令的地址更新到 PC 寄存器中，比如CPU 将第一个指令 55 取出来之后，系统会立即将下一个指令的地址填写到 PC 寄存器中，上个寄存器的地址是 100000f90，那么下一条指令的地址就是 100000f91 了
  • 更新了 PC 寄存器之后，CPU 就会立即做第二件事，那就是分析该指令，并识别出不同的类型的指令，以及各种获取操作数的方法。在指令分析完成之后，就要执行指令了。不过要了解 CPU 是如何执行指令的，我们还需要了解 CPU 中的一个重要部件：通用寄存器。
• 通用寄存器是 CPU 中用来存放数据的设备，不同处理器中寄存器的个数也是不一样的，之所以要通用寄存器，是因为 CPU 访问内存的速度很慢，所以 CPU 就在内部添加了一些存储设备，这些设备就是通用寄存器。
• 可以把通用寄存器比喻成是你身上的口袋，内存就是你的背包，而硬盘则是你的行李箱，要从背包里面拿物品会比较不方便，所以你会将常用的物品放进口袋。你身上口袋的个数通常不会太多，容量也不会太大，而背包就不同了，它的容量会非常大。
• 我们可以这样总结通用寄存器和内存的关系：通用寄存器容量小，读写速度快，内存容量大，读写速度慢。
• 通用寄存器通常用来存放数据或者内存中某块数据的地址，我们把这个地址又称为指针，通常情况下寄存器对存放的数据是没有特别的限制的，比如某个通用寄存器既可以存储数据，也可以存储指针。
• 不过由于历史原因，我们还会将某些专用的数据或者指针存储在专用的通用寄存器中 ，比如 rbp 寄存器通常是用来存放栈帧指针的，rsp 寄存器用来存放栈顶指针的，PC 寄存器用来存放下一条要执行的指令等。

几种常用的指令类型 ​

• 第一种是加载的指令，其作用是从内存中复制指定长度的内容到通用寄存器中，并覆盖寄存器中原来的内容。
• 第二种存储的指令，和加载类型的指令相反，其作用是将寄存器中的内容复制内存某个位置，并覆盖掉内存中的这个位置上原来的内容
• 第三种是更新指令，其作用是复制两个寄存器中的内容到 ALU 中，也可以是一块寄存器和一块内存中的内容到 ALU 中，ALU 将两个字相加，并将结果存放在其中的一个寄存器中，并覆盖该寄存器中的内容。具体流程如下图所示：
  • 参看上图，我们可以发现 addl 指令，将寄存器 eax 和 ecx 中的值传给 ALU，ALU 对它们进行相加操纵，并将计算的结果写回 ecx
• 还有一个非常重要的指令，是跳转指令，从指令本身抽取出一个字，这个字是下一条要执行的指令的地址，并将该字复制到 PC 寄存器中，并覆盖掉 PC 寄存器中原来的值。那么当执行下一条指令时，便会跳转到对应的指令了。
  • 观察上图，上图是通过 jmp 来实现的，jmp 后面跟着要跳转的内存中的指令地址
• 除了以上指令之外，还有 IO 读 / 写指令，这些指令可以从一个 IO 设备中复制指定长度的数据到寄存器中，也可以将一个寄存器中的数据复制到指定的 IO 设备。
• 以上就是一些基础的指令类型，这些指令像积木，利用它们可以搭建我们现在复杂的软件大厦。

分析一段汇编代码的执行流程 ​

• 在 C 程序中，CPU 会首先执行调用 main 函数，在调用 main 函数时，CPU 会保存上个栈帧上下文信息和创建当前栈帧的上下文信息，主要是通过下面这两条指令实现的：

pushq   %rbp
movq    %rsp, %rbp

pushq   %rbp
movq    %rsp, %rbp

• 第一条指令 pushq %rbp，是将 rbp 寄存器中的值写到内存中的栈区域。第二条指令是将 rsp 寄存器中的值写到 rbp 寄存器中。
• 然后将 0 写到栈帧的第一个位置，对应的汇编代码如下：

movl  $0, -4(%rbp)

movl  $0, -4(%rbp)

• 接下来给 x 和 y 赋值，对应的代码是下面两行：

movl  $1, -8(%rbp)
movl  $2, -12(%rbp)

movl  $1, -8(%rbp)
movl  $2, -12(%rbp)

• 第一行指令是将常数值 1 压入到栈中，然后再将常数值 2 压入到栈中，这两个值分别对应着 x 和 y。
• 接下来，x 的值从栈中复制到 eax 寄存器中，对应的指令如下所示：

movl  -8(%rbp), %eax

movl  -8(%rbp), %eax

• 现在 eax 寄存器中保存了 x 的值，那么接下来，再将内存中的 y 和 eax 中的 x 相加，相加的结果再保存在 eax 中，对应的指令如下所示：

addl  -12(%rbp), %eax

addl  -12(%rbp), %eax

• 现在 x+y 的结果保存在了 eax 中了，接下来 CPU 会将结果保存中内存中，执行如下指令：

 movl  %eax, -16(%rbp)

 movl  %eax, -16(%rbp)

• 最后又将结果 z 加载到 eax 寄存器中，代码如下所示：

movl  -16(%rbp), %eax

movl  -16(%rbp), %eax

• 注意这里的 eax 寄存器中的内容就被默认作为返回值了，执行到这里函数基本就执行结束了，然后需要继续执行一些恢复现场的操作，代码如下所示：

popq  %rbp 
retq

popq  %rbp 
retq

• 到了这里，我们整个程序就执行结束了。

总结 ​

• CPU 执行机器代码的逻辑非常简单，首先编译之后的二进制代码被加载进内存，然后 CPU 就按照指令的顺序，一行一行地执行。
• 在执行指令的过程中，CPU 需要对数据执行读写操作，如果直接读写内存，那么会严重影响程序的执行性能，因此 CPU 就引入了寄存器，将一些中间数据存放在寄存器中，这样就能加速 CPU 的执行速度。
• 有了寄存器之后，CPU 执行指令的操作就变得复杂了一点，因为需要寄存器和内存之间传输数据，或者寄存器和寄存器之间传输数据。我们通常有以下几种方式来使用寄存器，这包括了加载指令、存储指令、更新指令。通过配合这几种类型的指令，我们就可以实现完整的程序功能了。

CPU 是怎么执行一段二进制机器代码的简述 ​

1. 二进制代码装载进内存，系统会将第一条指令的地址写入到 PC 寄存器中。
2. 读取指令：根据pc寄存器中地址，读取到第一条指令，并将pc寄存器中内容更新成下一条指令地址。
3. 分析指令：并识别出不同的类型的指令，以及各种获取操作数的方法。
4. 执行指令：由于cpu访问内存花费时间较长，因此cpu内部提供了通用寄存器，用来保存关键变量，临时数据等。指令包括加载指令，存储指令，更新指令，跳转指令。如果涉及加减运算，会额外让ALU进行运算。
5. 指令完成后，通过pc寄存器取出下一条指令地址，并更新pc寄存器中内容，再重复以上步骤。

二进制机器码执行流程思维导图 ​